本發明總體地涉及基于雙目相機的立體視覺技術，具體地涉及一種雙目相機以及基于雙目相機的測距方法。

背景技術：

雙目相機是一種日益受關注的能夠提供立體視覺的設備。基于雙目相機獲得的圖像，通過雙目視差原理，能夠計算出雙目相機所拍攝到的物體相對于相機的三維空間位置。

現有技術中，雙目相機的兩個鏡頭具有彼此平行的光軸，兩個鏡頭在垂直于光軸的方向上并排布置并且具有彼此分開的取景窗口，對于同一被成像物體具有不同的視角，從而獲得不同的圖像。不同圖像之間的差異就可以用來計算物體距離雙目相機之間的距離。存在的一個問題是，由于兩個攝像頭通過不同的取景窗口取景，所以兩個鏡頭分別獲得的圖像相對于彼此會存在遮擋，這種遮擋的存在導致無法計算被遮擋的物體的距離或空間位置。

技術實現要素：

有鑒于此，本發明的目的是提供一種新型的雙目相機，其至少改善了現有的雙目相機中存在的上述遮擋問題。

根據本發明的一個方面，提供了一種雙目相機，其包括第一成像鏡頭和第二成像鏡頭以及分別用于感測第一成像鏡頭和第二成像鏡頭成像得到的圖像的第一圖像傳感器和第二圖像傳感器，其中，所述雙目相機還包括分束鏡，其用于將進入雙目相機的單個光束分為分別投射向所述第一成像鏡頭的第一光束和投射向第二成像鏡頭的第二光束；并且在將光路以該光路中的反射面為對稱面做鏡像形成的等效光路中，所述第一成像鏡頭的光軸和第二成像鏡頭的光軸相互平行且彼此偏離預定距離。

優選，所述第一成像鏡頭與所述分束鏡相距第一光程長度，所述第二成像鏡頭與所述分束鏡相距第二光程長度，并且第一光程長度小于第二光程長度。

所述雙目相機還可以包括一反射鏡，該反射鏡布置成使來自分束鏡的第二光束的方向發生偏折從而投射到第二成像鏡頭上。

在一些實施例中，在實際空間布置中，所述第一成像鏡頭和第二成像鏡頭的光軸相互平行，并且所述第一和第二成像鏡頭沿其光軸方向并排布置。

優選，所述分束鏡為偏振分光棱鏡。

優選，所述第一成像鏡頭和第二成像鏡頭為相同的鏡頭。

所述雙目相機還可以包括圖像處理和計算單元，該圖像處理和計算單元配置為：在所述第一成像鏡頭和第二成像鏡頭在同一時刻分別采集到的第一圖像和第二圖像中，識別和匹配特征點；以第一成像鏡頭和第二成像鏡頭的光軸相對于彼此偏離的方向為基準方向，獲取相互匹配的特征點在第一圖像中相對于第一成像鏡頭的光軸上點的成像位置在基準方向上的第一偏移量及其在第二圖像中相對于第二成像鏡頭的光軸上點的成像位置在基準方向上的第二偏移量；以及計算基于第一成像鏡頭和第二成像鏡頭的光軸彼此偏離的所述預定距離、所述第二物距與第一物距的差、以及所述第一偏移量和第二偏移量計算物體與雙目相機的距離。

根據本發明的另一個方面，提供了一種基于雙目相機的測距方法，其包括如下處理：利用具有第一成像鏡頭和第二成像鏡頭的雙目相機采集物體圖像，其中第一成像鏡頭和第二成像鏡頭的光軸在等效光路中相互平行且彼此偏離預定距離，且第一成像鏡頭距離物體的第一物距不同于第二成像鏡頭距離物體的第二物距；在所述第一成像鏡頭和第二成像鏡頭在同一時刻分別采集到的第一圖像和第二圖像中，識別和匹配特征點；以第一成像鏡頭和第二成像鏡頭的光軸相對于彼此偏離的方向為基準方向，獲取相互匹配的特征點在第一圖像中相對于第一成像鏡頭的光軸上點的成像位置在基準方向上的第一偏移量及其在第二圖像中相對于第二成像鏡頭的光軸上點的成像位置在基準方向上的第二偏移量；以及計算基于第一成像鏡頭和第二成像鏡頭的光軸彼此偏離的所述預定距離、所述第二物距與第一物距的差、以及所述第一偏移量和第二偏移量計算物體與雙目相機的距離。

在一些實施例中，所述計算物體與雙目相機的距離的處理包括根據以下公式計算物體與近端鏡頭之間的第一物距D：

其中，x₁為第一偏移量；x₂為第二偏移量；ΔO_x為第一成像鏡頭和第二成像鏡頭的光軸彼此偏離的預定距離；Δd為第二物距與第一物距的差；v為雙目相機中所述第一成像鏡頭和第二成像鏡頭距離其對應的圖像傳感器的距離，其中假設第一成像鏡頭和第二成像鏡頭距離其對應的圖像傳感器的距離是相同的，其中ΔO_x在第二光軸與物體位于第一光軸的同一側時為正值，位于不同側時為負值；x₂在其與x₁位于第二光軸的同一側時為正值，位于不同側時為負值。

所述測距方法優選還包括在采集物體圖像的處理之前，對雙目相機進行標定。

根據本發明，由于利用了單個取景光束，并且雙目相機的兩個成像鏡頭的光軸之間的偏移距離較小，所以很大程度上減小兩個鏡頭相對于彼此的圖像遮擋問題。

此外，根據本發明，在優選的實施方式中，利用了相距物體具有不同物距的近端鏡頭和遠端鏡頭，可以提高雙目相機對物體空間位置的分辨力。

附圖說明

從下面結合附圖對本發明實施例的詳細描述中，本發明的這些和/或其它方面和優點將變得更加清楚并更容易理解，其中：

圖1為根據本發明實施例一的雙目相機的示意圖；

圖2示出了圖1所示雙目相機的等效光路圖；

圖3為根據本發明實施例二的雙目相機的示意圖；

圖4示出了圖3所示雙目相機的等效光路圖；

圖5為根據本發明實施例三的基于雙目相機的測距方法的示意性框圖。

具體實施方式

下面結合附圖和實施例對本申請作進一步的詳細說明。可以理解的是，此處所描述的具體實施例僅僅用于解釋相關發明，而非對該發明的限定。另外還需要說明的是，為了便于描述，附圖中僅示出了與發明相關的部分。

需要說明的是，在不沖突的情況下，本申請中的實施例及實施例中的特征可以相互組合。下面將參考附圖并結合實施例來詳細說明本申請。

圖1為根據本發明實施例一的雙目相機100的示意圖。如圖1所示，雙目相機100包括第一成像鏡頭11、第二成像鏡頭21以及分別用于感測第一成像鏡頭11和第二成像鏡頭21成像得到的圖像的第一圖像傳感器12和第二圖像傳感器22。第一成像鏡頭11、第二成像鏡頭21可以為相同的鏡頭。

雙目相機100還包括分束鏡30，用于將進入雙目相機100的單個光束分為分別投射向所述第一成像鏡頭11的第一光束和投射向第二成像鏡頭21的第二光束。分束鏡30優選為棱鏡分束鏡，更優選為偏振分光棱鏡(PBS,polarization beam splitter)。

在本實施例中，雙目相機100還包括反射鏡40。如圖所示，反射鏡40布置在由分束鏡30分出的第二光束的光路中，其反射第二光束以使其方向發生偏折從而投射到第二成像鏡頭21上。

圖2示出了圖1所示雙目相機的等效光路圖。等效光路圖在這里指的是通過將光路以該光路中的反射面為對稱面做鏡像形成的與實際光路等效的光路示意圖。對于圖1所示示例，進入雙目相機100的單個光束在分束鏡30處透射形成第一光束，第一光束經由第一成像鏡頭11成像到第一圖像傳感器12上。由于該光路沒有發生反射，所以在等效光路圖中保持原樣。而所述單個光束在分束鏡30的反射面30a處反射形成第二光束，并且該第二光束還經過反射鏡40的反射面40a的反射，因此在等效光路圖將第二光束的光路以反射面30a和40a為對稱面做鏡像，得到圖2所示的等效光路。

根據本發明，如圖1和圖2所示，雙目相機100的第一成像鏡頭11和第二成像鏡頭21布置為使得它們在上述等效光路中，第一成像鏡頭11的光軸O₁(圖中以虛線示出)與第二成像鏡頭21的光軸O₂(圖中以雙點劃線示出)相互平行且彼此偏離預定距離ΔO_x。由于用于第一成像鏡頭11和第二成像鏡頭21成像的光束都是來自于進入雙目相機100的單個光束，所以該預定距離ΔO_x相比于傳統雙目相機中兩個鏡頭之間的偏移量而言要小得多。由于利用了單個取景光束，并且雙目相機的兩個鏡頭11、21的光軸之間的偏移距離ΔO_x較小，所以很大程度上減小兩個鏡頭相對于彼此的圖像遮擋問題。

如圖1所示，在實際空間布置中，第一成像鏡頭11和第二成像鏡頭21的光軸彼此平行，并且第一成像鏡頭11和第二成像鏡頭21垂直于光軸并排布置。應該理解的是，本發明并不限于此。例如，第一成像鏡頭11和第二成像鏡頭21也可以在光軸方向上具有不同的軸向位置(即非并排布置)；或者，在實際空間布置中兩者的光軸O₁、O₂可以是非平行的，只要它們在等效光路圖中是平行的即可。

從圖2中可以看到，被成像物體ob相對于第一成像鏡頭11的物距D₁小于其相對于第二成像鏡頭21的物距D₂。這是由于第一成像鏡頭11與分束鏡30之間的第一光程長度小于第二成像鏡頭21與分束鏡30之間的第二光程長度而造成的。這里，第一成像鏡頭11又可稱為近端鏡頭，第二成像鏡頭21又可稱為遠端鏡頭。由于兩個鏡頭相對于被成像物體具有不同的物距，對于不在鏡頭光軸上的物體來說，它們在通過兩個鏡頭獲得的圖像中可能具有不同的像素位置，從而可以據此計算出物體的空間位置。相對于僅僅通過兩個鏡頭之間的垂直于光軸方向上的位置偏移ΔO_x而產生的立體視覺分辨力，當第一成像鏡頭11和第二成像鏡頭21布置為近端鏡頭和遠端鏡頭時，可以進一步提高對物體空間位置的分辨力。

圖3為根據本發明實施例二的雙目相機200的示意圖。雙目相機200的構造與雙目相機100基本相同，不同之處在于雙目相機100在第二光束的光路中設置了反射鏡40，用于偏轉第二光束的方向，從而將其投射向與第一成像鏡頭11并排布置的第二成像鏡頭21；而雙目相機200沒有包括設置在第二光束的光路中的反射鏡，并且在實際空間布置中，第一成像鏡頭211的光軸O₁和第二成像鏡頭221的光軸O₂形成一定角度。在圖3所示示例中，該角度為90度。本發明并不限于該角度的具體大小。

圖4示出了圖3所示雙目相機的等效光路圖。進入雙目相機200的單個光束在分束鏡230處透射形成第一光束，第一光束經由第一成像鏡頭211成像到第一圖像傳感器212上。由于該光路沒有發生反射，所以在等效光路圖中保持原樣。而所述單個光束在分束鏡230的反射面230a處反射形成第二光束，因此在等效光路圖將第二光束的光路以反射面230a為對稱面做鏡像，得到圖4所示的等效光路。

類似于圖2所示，在圖4所示的雙目相機200的等效光路中，第一成像鏡頭211的光軸O₁(圖中以虛線示出)與第二成像鏡頭21的光軸O₂(圖中以雙點劃線示出)相互平行且彼此偏離預定距離ΔO_x。由于利用了單個取景光束，并且雙目相機的兩個鏡頭211、221的光軸之間的偏移距離ΔO_x較小，所以很大程度上減小兩個鏡頭相對于彼此的圖像遮擋問題。

類似于雙目相機100，圖3和圖4所示的雙目相機200中，被成像物體ob相對于第一成像鏡頭211的物距D₁小于其相對于第二成像鏡頭221的物距D₂。從而，第一成像鏡頭211構成近端鏡頭，第二成像鏡頭221構成為遠端鏡頭。這可以提高雙目相機對物體空間位置的分辨力。

應該理解的是，盡管以上介紹的雙目相機100、200中，第一成像鏡頭和第二成像鏡頭都布置為近端鏡頭和遠端鏡頭，但是本發明并不限于第一和第二成像鏡頭的這種遠近不同的布置方式。換句話說，在等效光路中，雙目相機的兩個鏡頭可以具有相同的沿光軸方向的物距，只要兩個鏡頭在等效光路中的光軸是相互平行且相對于彼此偏離預定距離的。

以下將結合圖5介紹根據本發明實施例三的基于雙目相機的測距方法。如圖所示，該基于雙目相機的測距方法可以包括如下處理：

S10：標定雙目相機，可以包括標定雙目相機的內部參數和/或外部參數；

S20：采集雙目圖像，具體地，利用具有第一成像鏡頭和第二成像鏡頭的雙目相機采集物體圖像，其中第一成像鏡頭和第二成像鏡頭的光軸在等效光路中相互平行且彼此偏離預定距離，且第一成像鏡頭距離物體的第一物距不同于第二成像鏡頭距離物體的第二物距；

S30：識別和匹配特征點，具體地，在所述第一成像鏡頭和第二成像鏡頭在同一時刻分別采集到的第一圖像和第二圖像中，識別和匹配特征點(特征點的識別和匹配是本領域中常用的技術，在此不再贅述)；

S40：獲取特征點在圖像中的偏移量，具體地，以第一成像鏡頭和第二成像鏡頭的光軸相對于彼此偏離的方向為基準方向，獲取相互匹配的特征點在第一圖像中相對于第一成像鏡頭的光軸上點的成像位置在基準方向上的第一偏移量及其在第二圖像中相對于第二成像鏡頭的光軸上點的成像位置在基準方向上的第二偏移量；以及

S50：計算物體的位置，具體地，計算基于第一成像鏡頭和第二成像鏡頭的光軸彼此偏離的所述預定距離、所述第二物距與第一物距的差、以及所述第一偏移量和第二偏移量計算物體與雙目相機的距離。

由于處理S10并不是每一次測距都會發生，所以根據本發明的上述測距方法并不限于包括該處理的情形，換句話說，該方法可以不包括處理S10。

下面結合圖1至4示出的雙目相機的實施例，更具體地介紹處理S50。在處理S50中，根據第一成像鏡頭和第二成像鏡頭成像時的幾何關系，分別可以得到：

結合兩個關系式，可以得到以下結果：

為了確保獲得的物距D為正值，可以另D取上式右側的絕對值：

其中，X為在基準方向上，物體距離第一成像鏡頭的光軸O₁的距離；x₁為第一偏移量；x₂為第二偏移量；ΔO_x為第一成像鏡頭和第二成像鏡頭的光軸O₁、O₂彼此偏離的預定距離；D₁為第一物距，以下計算中也記為D；D₂為第二物距；Δd為第二物距與第一物距的差；v為雙目相機中所述第一成像鏡頭和第二成像鏡頭距離其對應的圖像傳感器的距離，其中假設第一成像鏡頭和第二成像鏡頭距離其對應的圖像傳感器的距離是相同的。這里，ΔO_x在第二光軸O₂與物體ob位于第一光軸O₁的同一側時為正值，位于不同側時為負值；x₂在其與x₁位于第二光軸O₂的同一側時為正值，位于不同側時為負值。

盡管圖中沒有示出，但是本領域技術人員能夠理解，根據本發明實施例的雙目相機還可以包括圖像處理和計算單元。該圖像處理和計算單元可以用于接收來自第一和第二圖像傳感器的雙目圖像，執行以上處理S30～S50。識別第一和第二圖像傳感器在同一時刻分別檢測到的第一圖像和第二圖像中的對應特征點，獲取該特征點在第一圖像中相對于第一成像鏡頭的光軸上點的成像位置的第一偏移量及其在第二圖像中相對于第二成像鏡頭的光軸上點的成像位置的第二偏移量，并基于第一和第二成像鏡頭的光軸彼此偏離的所述預定距離、所述第一光程長度與第二光程長度、以及所述第一偏移量和第二偏移量計算物體與雙目相機的距離。

以上已經描述了本發明的各實施例，上述說明是示例性的，并非窮盡性的，并且也不限于所披露的各實施例。在不偏離所說明的各實施例的范圍和精神的情況下，對于本技術領域的普通技術人員來說許多修改和變更都是顯而易見的。因此，本發明的保護范圍應該以權利要求的保護范圍為準。